7. Циркуляция атмосферы

Количество солнечной радиации, поступающей в атмосферу, зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Поэтому атмосфера в различных районах земного шара нагревается неравномерно. Особенно большие различия температур у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность нагревания служит главной причиной общей циркуляции атмосферы, представляющей собой сложную крупномасштабную систему воздушных течений 8, с.12 (рис.4).

Рис. 4. Крупномасштабная система воздушных течений

Энергия движущихся воздушных масс расходуется на трение, а пополняется за счет солнечной радиации. Благодаря такой циркуляции сглаживается градиент температуры атмосферного воздуха в различных районах. Воздушные массы в среднем проходят за сутки расстояние в 1,5 тысячи километров, а за неделю половину полушария.

К устойчивым воздушным течениям относятся пассаты. Эти ветры дуют в низких широтах обоих полушарий и направлены от субтропиков к экватору. На экваторе воздух прогревается, поднимается вверх и на больших высотах поворачивает к полюсам. Круговые движения воздуха с подъемом в районе экватора и опусканием вблизи тропиков называются пассатными ячейками циркуляции (ячейками Гадлея).В ходе такой циркуляции происходит, вероятно, обмен воздуха между тропосферой и стратосферой.

В некоторых тропических регионах наблюдаются другие устойчивые воздушные течения, возникающие между океаном и материком, – муссоны. В умеренных широтах преобладают течения с запада на восток, включающие крупные вихри, – циклоны и антициклоны.

Рис. 5. Схема движения воздуха в циклоне (а) и антициклоне (б)

Образование таких вихрей является обычным для внетропических районов. В высоких же широтах обоих полушарий происходит вращение атмосферы вокруг полюсов с запада на восток (циркумполярные вихри). На эти общие потоки налагаются возмущения за счет циклонической активности в более низких широтах. Циклоническая деятельность во многом обусловливает весьма изменчивый и сложный характер как региональной, так и общей циркуляции атмосферы.

Проанализируйте, почему циклон сопровождается неустойчивой дождливой погодой…

[1] между холодным фронтом полярного воздуха и теплым фронтом тропического создается область низкого давления; водяные пары в поднимающемся теплом воздухе конденсируются;

[2] опускающиеся воздушные массы в форме большой спирали вращаются в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном – против нее, и в этих широтах устанавливается дождливая погода;

[3] морские течения приводят в движение воздушные массы, их путь лежит от более теплых вод к более холодным. Так происходит ухудшение погоды.

[4] благодаря образованию различных течений в атмосфере происходит перемешивание больших масс воздуха.

1.8. Аэрозоли атмосферы

Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но также распыленные частицы твердых и жидких веществ [7, с.72].

Взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль, являясь ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы. Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц меньше 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) очень большое, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10–20 % от общей массы аэрозолей.

Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2–3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы размером 0,25 мкм.

На суше в процессе обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество литосферы. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. С поверхности континентов выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Обломки величиной 0,1–0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни – первые тысячи километров. Частицы величиной 1–10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает 10 тыс. км.

Хотя миграция основных масс аэрозолей проходит в тропосфере, очень небольшая их часть поступает и в стратосферу, где находятся от 4 до 14 лет (в тропосфере длительность нахождения частиц в воздухе колеблется от 1 до 30–40 суток, чаще всего около 5 суток). Размер этих частиц 0,2–2 мкм. Их перенос осуществляется преимущественно с востока на запад очень быстрыми струйными течениями. Эти струйные течения (Set Streams) кружат над землей со скоростью более 200 км/ч. Ширина течений составляет несколько сотен километров. В стратосфере отсутствуют пары воды. Аэрозоли стратосферы не столь многообразны. Они состоят главным образом из сульфатов. Экспериментально установленное соотношение [NH₄⁺]:[SO₄]^2- оказалось равным 1–2, т.е. основным твердым компонентом стратосферы является сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Масса осаждающихся стратосферных аэрозолей в северном полушарии оценивается от 2 до 3 мг/км²100 лет.

Учитывая, что в тропосфере различают три типа распределения частиц: фоновое, океаническое и континентальное, дайте определение фонового содержания…

[1] количество частиц в 1 см³ чистейшего воздуха, не подверженного влиянию локальных источников аэрозолей, с верхним пределом концентрации 700 частиц/см³;

[2] естественные пределы примесей в воздухе при существовании природного равновесия между поступлением примесей в атмосферу и ее самоочисткой;

[3] концентрация частиц над сельской местностью составляет 10⁴ частиц/см³;

[4] концентрация частиц над большими городами и промышленными центрами 10⁵ частиц/см³.